非接触量测方法在高速公路隧道监控量测中的应用实践
赵清平 冯守中 武汉广益工程咨询有限公司 湖北武汉武昌光谷创业街 10 栋 A 座 2502 430074 摘要: 本文通过安徽省六安至武汉高速公路安徽段隧道工程监控量测的实例,详细介绍了全站仪自由设站 方式进行三维非接触量测的方法原理,技术要求及数据的采集和处理分析,并指出了该方法的优越性和应 用前景. 关键词:非接触量测 公路隧道 监控量测 应用
1 ,概述 传统的隧道监控量测方法, 周边位移一 般采用钢尺式收敛计进行观测, 拱顶下沉一 般采用水准仪,水平仪,钢尺或测杆进行观 测.虽然该方法具有成本低,操作简单和适 应恶劣施工环境的优点, 但在隧道现场实施 过程中存在以下问题: (1)监控量测工作难度大,由于隧道高 度大,拱脚部位的收敛往往无法量测,拱顶 挂尺也非常困难; (2)量测时间长,施工干扰大,虽然监 控量测已作为一道工序被安排在施工组织 设计中,但还是希望时间越短越好; (3) 隧道进入中间段后,通风问题,照 明问题, 洞内不平整及积水问题往往成为制 约监控量测工作的重要因素. (4)对于大断面隧道,如紧急停车带, 接触量测几乎不可能,即使勉强能够实施, 量测精度也差, 而这些段落往往是施工最危 险段落. (5)一般无法进行三维观测,当要了 解隧道周边点的三维变化时, 上述传统方法 显得无能为力. 随着我国西部大开发战略的实施, 将有
越来越多的山岭大跨度隧道的修建, 跨度的 不断增加使传统的监测方法具有明显的局 限性,如挂尺困难,测量精度下降等问题. 于是就提出了隧道变形监测新技术—采用 全站仪进行非接触三维观测(无尺量测)的 研究. 六安至武汉高速公路安徽段共有8处隧 道,其中7处分离式隧道,左,右线共长 18852m,1处连拱隧道,长度为269m.为了 解决常规监控量测中存在的问题, 我们首次 在隧道的监控量测中, 研究采用了非接触量 测方法. 2,全站仪自由设站方式工作原理 全站仪三维非接触围岩净空位移量测 新技术, 其基本原理是利用全站仪自由设站 远距离测量点位不同时段的三维坐标, 将测 量数据输入算机通过软件进行后处理, 最后 输出测点的三维位移矢量或测点相对收敛 值,准确,快速地为施工提供参考数据.全 站仪自由设站测量和反射模片粘贴示意图, 如图 1 所示.
目,地表下沉,围岩体内位移,围岩压力及 两层支护间压力, 钢支撑内力及外力, 支护, 衬砌内应力,表面应力及裂缝量测,围岩弹 性波测试等为选测项目.对洞口浅埋隧道, 地表下沉也经常列为必测项目. (a) 非接触量测方法采用全站仪自由设站 原理远距离测量点位不同时段的三维坐标, 经过处理输出测点的三维位移矢量或测点 相对收敛值, 可以代替传统的接触量测对拱 顶下沉, 周边收敛的量测. 此方法可以方便, 准确,快速地为隧道施工提供参考数据. (b) 图 1 全站仪测量示意图 全站仪自由设站三维观测原理, 是从 任意测站点观测已知点的方向和距离, 通 过极坐标法算出该测站仪器中心的坐标, 并 以此推算出其余被测点的坐标, 然后运用坐 标变换原理算出这些测点在某一统一坐标 系下的三维坐标. 由于隧道围岩位移观测的 特殊性, 仪器安置要求不影响隧道施工, 所 以采用自由设站法, 既可避免由于人为测量 仪器高, 仪器对中达不到围岩变形测量的精 度,又不影响施工,而且设站灵活. 3,监控量测的实施方法 隧道施工中, 监控量测的项目包括必测 项目和选测项目, 根据科研和生产的实际情 况,隧道工程地质条件,围岩类别,围岩应 力分布情况,隧道跨度,埋深,工程性质, 开挖方法,支护类型等因素确定.一般情况 下,地质和支护状况观察,周边位移,拱顶 下沉,锚杆或锚索内力及抗拔力为必测项 图 2 全断面开挖测点与测线布置图 ② 对上下台阶法开挖的洞段布设2条 水平测线(见图3); 4,监控量测的技术要求 4.1【监控量测断面布设原则】 ① 断面间距:Ⅴ级20m,Ⅳ级30m,Ⅲ 级40m,Ⅱ级50m.特殊情况,加密. ② 对洞口,浅埋地段的Ⅴ～Ⅳ级围岩 段(埋深小于40m的围岩段),布设地表下 沉断面. 4.2【测线和测点布设原则】 ① 对全断面开挖的洞段,量测断面布 设一条水平测线(见图2);
③ 拱顶下沉测点,布置在拱顶水平线 上,布置一个测点.
在工程实践中根据实际情况规定容许位移 量和容许位移速率值是进行施工监控的基 础, 从而可根据位移一时间曲线来判断围岩 的稳定性.具体地说,基准值的设定方法见 表 2. 表2 变形管理基准的设定
图 3 台阶法开挖测点与测线布置图 4.3【监控量测频率】 根据传统的净空收敛, 拱顶下沉的测定 频率随着变位收敛的天数,变位量,开挖方 法, 日变位量, 离掌子面距离的不同而变化, 大体上可根据位移速度及离开挖面的距离 而定, 见表 1. 当采用台阶法进行隧道施工, 下台阶到达时上面台阶测定频率要加大. 本 次试验三维位移量测频率采用与净空收敛, 拱顶下沉的测定频率基本一致. 表 1 拱顶下沉及净空收敛量测频率 注:U0—实测隧道周边位移值,拱顶为主要 依据;Un—绝对位移控制基准值. 5,典型案例分析 鉴于篇幅所限,本文就南岭隧道 ZK24+660 断面的监测情况作一分析. 5.1 测点布置

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